CN112857689B - 一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法，通过多次拉伸、压缩、拉伸交替循环加压检测注采管柱的密封性能，筛选出适用于储气库注采管柱的螺纹接头，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长周期安全运行，将极大程度降低管柱泄漏风险，从而避免事故发生，本发明具有良好的经济效益和广阔的应用前景。

Description

一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法

【技术领域】

本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法。

【背景技术】

地下储气库注采管柱(注采完井管柱)是保证气体注入、采出的安全通道，储气库井设计寿命在30年以上，对注采管柱同样提出更高的要求，要确保30年或更长期限内注采管柱的运行安全，但是从国内已建成的大港储气库群、京58储气库群等储气库井油套环空带压反映出注采管柱泄漏问题，尽管注采管柱采用的是气密封特殊螺纹，且在下井前均进行了氦气密封检测，但密封问题依然凸显。

现有的《ISO 13679石油天然气工业套管和油管螺纹连接试验程序》标准虽然规定了气密封螺纹密封试验程序，但仅进行了1.5周次的气密封循环试验，而注采管柱每年基本上是1次注气和采气。另外从ISO 13679中发现，管柱在拉伸载荷下的密封性能良好，但在拉伸→压缩→拉伸载荷下管柱存在泄漏风险。地下注采管柱所承受载荷是拉伸和压缩交变载荷，采气时完井管柱依然主要承受拉伸载荷，注气时则主要承受压缩载荷，有时压缩载荷高达管柱额定抗拉强度的80％以上。目前，各生产厂特殊螺纹接头的耐压缩性能(压缩效率)参差不齐，压缩效率从30％～100％都有，一旦选用不合适极易造成管柱泄漏。因此，建立注采管柱多周期气密封循环试验方法，对筛选适用的注采管柱气密封螺纹接头和评估注采管柱长周期密封完整性至关重要。

现有技术存在的主要问题：1)气密封循环试验周次仅1.5次，难以适用于现有的拉伸→压缩→拉伸载荷下30周次以上实际情况的模拟；2)对拉伸载荷下气密封循环考虑较多，缺少拉伸和压缩交变载荷下的气密封性能分析。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种确立储气库注采管柱长期气密封能力的检测试验方法，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长周期安全运行。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法，包括以下步骤：

(1)试样制备；

准备注采管柱螺纹连接接头试样，所述试样包括两截油管，两截油管由接箍连接在一起，在接箍两侧装配密封检测装置，在每一个油管的外端焊接油管堵头，得到试验试样，将试验试样安装在实物复合加载试验装置上；

(2)试验载荷计算；

计算试验试样承受的工作载荷，包括最大拉伸载荷、最大压缩载荷和最大注采压力，通过最大拉伸载荷获得试验拉伸载荷，通过最大压缩载荷获得试验压缩载荷，通过最大注采压力获得试验注采压力；

(3)试验载荷加载步骤；

a)对整个试验试样施加试验拉伸载荷，再向油管内打气体压力至试验注采压力，保载设定时间一；

b)卸掉油管的内压至零，卸掉拉伸载荷至零，然后施加试验压缩载荷，并向管柱内打气体压力至试验注采压力，保载设定时间一；

c)卸掉油管的内压至零，施加压缩载荷至额定压缩载荷，保载设定时间一；

d)降低压缩载荷至试验压缩载荷，并施加油管的内压至试验注采压力，保载设定时间一；

e)卸掉试验压缩载荷至零，保载设定时间一；

f)施加拉伸载荷至试验拉伸载荷，保载设定时间一；

g)卸掉油管的内压至零，循环步骤a)～f)，所述注采管柱的设计年限N，循环步骤a)～f)的次数大于等于N次，检测试验试样在交变载荷下的密封性能；

h)若中间发生泄漏，说明注采管柱密封性能不符合，无泄漏说明注采管柱符合要求。

优选的，所述保载设定时间一根据注采管柱泄漏的最小灵敏度和管柱尺寸确定。

优选的，所述步骤(3)中的保载设定时间一为15～20min。

优选的，所述实物复合加载试验装置为压力循环往复式结构，包括固定连接装置和移动连接装置，所述固定连接装置设置在一个油管堵头的外端，移动连接装置设置在另一个油管堵头的外端，固定连接装置和移动连接装置通过压力缸连接；油管上安装有与油管连通的打压阀和泄压阀。

优选的，所述密封检测装置、打压阀、泄压阀和压力缸均与控制和采集系统连接。

优选的，所述密封检测装置为密封检测环。

优选的，所述试验拉伸载荷为最大拉伸载荷和安全系数一的乘积，所述试验压缩载荷为最大压缩载荷和安全系数二的乘积，所述试验注采压力为最大注采压力和安全系数三的乘积；

所述试验拉伸载荷小于额定拉伸载荷，所述试验压缩载荷小于额定压缩载荷。

优选的，所述步骤g)中重复步骤a)～f)操作30-50次。

优选的，检测过程中记录每次的拉伸载荷、压缩载荷、油管的内压变化曲线，以及是否泄漏的试验现象。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法，该方法首先制备试样，然后计算试验过程的载荷，最后通过多次拉伸、压缩、拉伸交替加压检测注采管柱的密封性能，选择出适用于储气库工况的螺纹接头，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长周期安全运行。本发明主要用于地下储气库注采管柱连接接头密封性能的试验检测，主要借助于ISO 13679螺纹连接接头性能测试试验装置，依据地下储气库注采作业工况和长期运行(30年)特点，测试注采管柱连接接头在拉压交变载荷下多个注采周期的密封性能以及后期管柱运行极限性能。

【附图说明】

图1注采管柱螺纹连接接头试样的结构示意图；

图2本发明所有实物复合加载试验装置的结构示意图；

图3本发明实施例注采管柱30周次气密封循环试验的结果；

图4本发明实施例ISO 13679B系试验结果；

其中：1-油管，2-密封检测环，3-接箍，4-压力缸，5-泄压阀，6-油管堵头，7-固定连接装置，8-活动连接装置，9-打压阀。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明主要用于地下储气库注采管柱连接接头密封性能的试验检测，主要借助于ISO 13679螺纹连接接头性能测试试验装置，依据地下储气库注采作业工况和长期运行(30年)特点，测试注采管柱连接接头在拉压交变载荷下30个注采周期的密封性能以及后期管柱运行极限性能。

本发明由以下技术方案实现：

1)试样制备

如图1，图中1为油管，2为密封检测环，3为接箍，按照ISO 13679标准要求，准备注采管柱螺纹连接接头试样，试样包括两截油管1，两截油管1由接箍3连接在一起，在接箍3两侧装配好密封检测装置，在注采管柱两端焊接油管堵头6后将试样安装在实物复合加载试验装置上，如图2。

实物复合加载试验装置为压力循环往复式结构，包括用于检测接箍两侧密封性的密封检测环2，固定在注采管柱两端焊接油管堵头6上的固定连接装置7和移动连接装置8，固定连接装置7和移动连接装置8通过压力缸4连接，油管1上安装有与气路连通的打压阀9和泄压阀5，密封检测环2、打压阀9、泄压阀5和压力缸4均与控制和采集系统连接，通过控制和采集系统控制其工作，通过压力缸4的移动控制拉伸和压缩载荷，通过打压阀9和泄压阀5控制内压力的大小与循环。

2)试验载荷计算

依据储气库注采作业工况，计算注采管柱所承受工作载荷，即最大拉伸载荷Tto、最大压缩载荷Tco、最大注采压力Pio，考虑油田作业工况与室内模拟试验的差异，以工作载荷乘以相应的安全系数作为试验载荷，即以Tt＝(1.0～1.5)Tto，Tc＝(1.2～1.5)Tco，Pi＝(1.1～1.5)Pio作为试验施加载荷，Tt为试验拉伸载荷、Tc为试验压缩载荷、Pi为试验注采压力，1.0～1.5为安全系数一，1.2～1.5为安全系数二，1.1～1.5为安全系数三。需注意施加的试验载荷应小于等于管柱的额定载荷，即：Tt≤Tte，Tc≤Tce，其中Tte、Tce分别为管柱的额定拉伸载荷和额定压缩载荷。

3)试验载荷加载步骤

a)对管柱施加拉伸载荷Tt，再向管柱内打气体压力至Pi，保载15～20min；

保载时间由量筒法检测注采管柱泄漏的最小灵敏度和和管柱尺寸确定，注采管柱泄漏的最小灵敏度为0.9cm³/15min；

b)卸掉内压至零，卸掉拉伸载荷至零，后施加压缩载荷Tc，并向管柱内打气体压力至Pi，保载15～20min；

c)卸掉内压至零，施加压缩载荷至Tce，保载15～20min；

d)降低压缩载荷至Tc，并施加内压至Pi，保载15～20min；

e)卸掉压缩载荷至零，保载15～20min；

f)施加拉伸载荷至Tt，保载15～20min；

g)卸掉内压至零，重复步骤a)～f)，即重复表1试验步骤(表1为1周次气密封性循环试验)，共进行30周次密封循环，测定管柱在交变载荷下长期密封性能；

h)若中间发生泄漏，则试验终止；否则，进行e)试验；

i)对管柱进行ISO 13679B系试验见表2，测定管柱后期极限服役性能。

4)记录试验过程，包括拉压载荷、内压变化曲线以及试验现象。

表1单周次气密封循环试验加载点

试验序号	加载点	内压	轴向总载荷	保载时间	备注
						1	1	0	Tt	15～20min
2	2	Pi	Tt	15～20min
						3	3	0	Tc	15～20min
4	4	Pi	Tc	15～20min
						5	5	0	Tce	15～20min
6	6	Pi	Tc	15～20min
						7	7	Pi	0	15～20min
8	2	Pi	Tt	15～20min

表2 ISO 13679B系试验加载步骤

以下以具体实施方式说明本发明方法：

以东部油田Φ88.9×6.45mm L80气密封螺纹注采管柱为例，依据本发明方法进行试验分析。

1)首先按照ISO 13679标准要求制备Φ88.9×6.45mm L80气密封螺纹油管柱试样如图1，并安装在实物复合加载试验装置上，如图2。

2)东部油田储气库注采管柱下深2600m，注采压力35MPa，注采气量60万方，地温梯度2.5℃/100m，据此计算出现场工作载荷：最大拉伸载荷Tto＝610kN、最大压缩载荷Tco＝270kN、最大注采压力Pio＝35MPa,考虑安全性，试验载荷取：Tt＝1.2Tto＝732kN，Tc＝1.3Tco＝351kN，Pi＝1.4Pio＝49MPa。

3)试验加载步骤，单周次气密封循环试验加载步骤见表1，重复表1试验步骤进行30周次气密封循环试验，若试验中间发生泄漏，则试验终止；否则，进行下一步试验，试验结果见图3。

4)按照表2要求对管柱进行ISO 13679B系试验，试验结果见图4。

5)从试验记录结果，图3说明该注采管柱在现有工况下满足30周次注采作业要求，图4说明30周次作业后管柱承载能力降低，需调整后续作业参数。

2013年初起，使用本发明方法筛选出适用于东部油田储气库注采管柱的气密封螺纹接头，并验证了其长期运行的安全可靠性，并给出了注采作业技术参数，供油田参考。

本发明适用于各类地下储气库注采管柱密封性能评价，也可扩展应用于各种具有拉伸-压缩载荷交变工况中的油套管柱密封性能评价。中国石油集团正在大力投资建设储气库，一个库群的建设都在上亿元。但现有储气库注采管柱基本全是环空带压生产，带来一定安全风险，长期环空带压易导致天然气泄漏事故发生，一旦通过地层泄漏至城市生活区将发生严重事故。采用本发明筛选出适用于储气库注采管柱的螺纹接头，将极大程度降低管柱泄漏风险，从而避免事故发生。因此，本发明将产生良好的经济效益，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地下储气库注采管柱密封性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）试样制备；

准备注采管柱螺纹连接接头试样，所述试样包括两截油管（1），两截油管（1）由接箍（3）连接在一起，在接箍（3）两侧装配密封检测装置，在每一个油管（1）的外端焊接油管堵头（6），得到试验试样，将试验试样安装在实物复合加载试验装置上；

（2）试验载荷计算；

计算试验试样承受的工作载荷，包括最大拉伸载荷Tto、最大压缩载荷Tco和最大注采压力Pio，通过最大拉伸载荷获得试验拉伸载荷，通过最大压缩载荷获得试验压缩载荷，通过最大注采压力获得试验注采压力；

Tt=(1.0～1.5) Tto，Tc=（1.2～1.5）Tco，Pi=（1.1～1.5）Pio作为试验施加载荷，Tt为试验拉伸载荷、Tc为试验压缩载荷、Pi为试验注采压力；

（3）试验载荷加载步骤；

a）对整个试验试样施加试验拉伸载荷Tt，再向油管（1）内打气体压力至试验注采压力Pi，保载15～20min；

b）卸掉油管（1）的内压至零，卸掉拉伸载荷至零，然后施加试验压缩载荷Tc，并向管柱内打气体压力至试验注采压力Pi，保载15～20min；

c）卸掉油管（1）的内压至零，施加压缩载荷至额定压缩载荷Tce，保载15～20min；

d）降低压缩载荷至试验压缩载荷Tc，并施加油管（1）的内压至试验注采压力Pi，保载15～20min；

e）卸掉试验压缩载荷至零，保载15～20min；

f）施加拉伸载荷至试验拉伸载荷Tt，保载15～20min；

g）卸掉油管（1）的内压至零，循环步骤a）～f），所述注采管柱的设计年限N，循环步骤a）～f）操作30-50次，检测试验试样在交变载荷下的密封性能；

h）若中间发生泄漏，说明注采管柱密封性能不符合，无泄漏说明注采管柱符合要求；

根据管柱承载能力，调整后续作业参数；

所述试验拉伸载荷小于额定拉伸载荷，所述试验压缩载荷小于额定压缩载荷；

所述实物复合加载试验装置为压力循环往复式结构，包括固定连接装置（7）和移动连接装置（8），所述固定连接装置（7）设置在一个油管堵头（6）的外端，移动连接装置（8）设置在另一个油管堵头（6）的外端，固定连接装置（7）和移动连接装置（8）通过压力缸（4）连接；油管（1）上安装有与油管（1）连通的打压阀（9）和泄压阀（5）；

所述密封检测装置为密封检测环（2）。

2.根据权利要求1所述的地下储气库注采管柱密封性能检测方法，其特征在于：所述密封检测装置、打压阀（9）、泄压阀（5）和压力缸（4）均与控制和采集系统连接。

3.根据权利要求1-2任一项所述的地下储气库注采管柱密封性能检测方法，其特征在于：检测过程中记录每次的拉伸载荷、压缩载荷、油管（1）的内压变化曲线，以及是否泄漏的试验现象。

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